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液晶结构大揭秘

发布时间:2020-07-21 18:09:28 阅读: 来源:金属缓蚀剂厂家

F.Reinitzer在1888年首先观察到液晶现象。这位奥地利生物学家加热胆甾醇苯甲酸晶体时发现,当温度升至145.5℃时,晶体熔化成乳白色粘稠的液体,再继续加热到178.5℃,乳白色粘稠液体变成完全透明的液体。翌年,Reinitzer将上述试样送到德国hmann处,请为之作检验。Lehmann确认此种物质呈现出光学各向异性,并根据这种“兼有液体流动性和晶体光学各向异性的液体”的特性,建议称之为“液晶(liquid crystal)”。1.分子的位置和取向有序 普通的无机物或有机物晶体分子在晶格结点上作有规则排列,即构成所谓的晶格点阵,是三维有序的。这种结构使晶体具有各向异性,如光学各向异性,介电、介磁各向异性等。当晶体受热后,在晶格上排列的分子动能增加,振动加剧,在一定压力下,达到固态和液态平衡时的温度,就是该物质的熔点。在熔点以下这种物质呈固态,熔点以上呈液态。在液态时,晶体所具有的各种特性均消失,变为各向同性的液体。 某些有机物晶体熔化时,并不是从固态直接变为各向同性的液体,而是经过一系列的“中介相”。如胆甾醇苯甲酸晶体加热时,出现两个温度突变点,前一个是其熔点(mp)为145.5℃。高于此温度,晶体熔融为混浊的液体。只有到达178.5℃时,才转变为清澈的液体,这个温度被称为清亮点(cp)。熔点与清亮点之间的相态是一种中介相。处于中介相状态的物质,原有分子排列位置的有序在熔化后丧失或大大减少,但是还保留分子平行。某种情况下,分子能自由平动,但是它们的转动总是受限制的;分子长轴取向的长程关联在中介相中还是可以得到。因此一方面具有像流体一样的流动性和连续性,另一方它又具有像晶体一样的各向异性,这样的有序流体就是液晶。在熔点和清亮点之间为液晶相区间,这个区间可能存在着一系列相变化。当物质从各向同性的状态中冷却时,类似晶体的特征又恢复。这种中介相热力学上是可逆的。2.序参数和取向分配函数 液晶排列有序程度的度量由序参数S给出: S=1/2(3cos2θ-1)> (1) 式中θ是分子长轴与某些参考方向之间的夹角。三角括号表示(3cos2θ-1)的平均值: 式中,?(θ)函数描述的是整个样品内液晶分子的角度统计分布。积分的?(θ)sinθdθ 函数可以看作在立体角sinθdθ内绕长轴的那一部分分子。这样,方程式(2)的分母是一种归一化条件。而整个积分是个平均过程。 根据取向分布函数?(θ) 在0°~180°范围内的积分值,可给出棒状分子在固态、液晶态、液态中取向分布的差别(图1)。棒状分子处于固态时,θ=0处,?(θ)为一个尖锐峰,表示分子只能绕晶轴振动。而在液态(各向同性)时,所有取向都是可能的,?(θ)是个常数。液晶相具有一定的有序取向,是介于固相、液相之间的有序介晶相。

由(1)式可以看出,当分子完全平行排列时,也就是在结晶的固体中,所有分子的θ值均为零,S=1,表明完全有序。当分子处各向同性的液体时,分子的所有取向角都是可能的,即cos2θ= 1/3,S=0,表示完全无序。一般向列相液晶的有序参数为0.3-0.8。S值是随温度变化的,其依赖关系有严格的理论推导,但一般可用近似公式计算:S=K[(Tc-T)/Tc] 式中 Tc-向列相液清亮点,℃; K-比例常数; T-向列相液晶的温度,℃。

随温度增加,S值下降,达到清亮点(即各向同性)时,S值降到零。 除了温度对序参数的影响外,液晶分子的结构对序参数也有影响。例如,实验证明,S值与分子结构中所含的环结构有关,刚性基团或使分子刚性增加的因素都能提高序参数。末端烷基链长度的增加将使序参数逐渐降低。分子极化度小,S大,相反,分子易于极化,则S相应较小。 X射线、紫外、红外和核磁共振技术都可用于测量序参数。典型的液晶序参数S(T)值随温度变化曲线见图2。在室温或室温附近,4-甲氧基亚苄基-4'-丁基苯胺(MBBA)是液晶相,序参数范围为0.3~0.7,清亮点时,迅速降为零。

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